波紋板氣液分離器分離效率測量方法對比

宋健斐 劉 帥 馬嘉棋 孟繁樹

（中國石油大學（北京）a.重質油國家重點實驗室；b.過程流體過濾與分離技術北京市重點實驗室）

波紋板氣液分離器［1］具有較大的接觸面積，在處理量較大的情況下，有著良好的分離效果和較低的壓降［2］，因此被廣泛應用于核電工業中的汽水分離。為分析波紋板分離器分離性能的影響因素，學者們進行了大量的實驗研究［3～5］。毛峰等認為入口操作參數對波紋板分離性能有很大影響，分離效率隨入口濕度的增大而增大，隨入口速度的上升先增大后減小［6］，發生二次夾帶現象的臨界入口速度隨入口濕度的增大而減小。郎方年等發現波紋板自身結構參數同樣影響著波紋板的分離性能，增大葉片的屈折角和葉片間距，在壓降降低的同時波紋板分離效率也會降低，增加分離級數在提升分離效率的同時會使壓力損失升高［7］。目前，波紋板氣液分離器分離性能的實驗測量方法多為稱重法和在線檢測法。其中，稱重法是將分離效率定義為被分離出來的液量與加入液量的比值，并未考慮液體的蒸發作用對波紋板分離效率的影響；波紋板分離性能的實驗研究多在負壓操作條件下進行［1，6，8］，且液滴粒徑往往是微米級，導致管段等通道內的液滴蒸發現象嚴重，進入波紋板分離器段的實際液量與加水量并不一致，使得當前稱重法難以真實反映波紋板自身的分離性能。在線檢測法［9，10］通過激光粒度儀直接測量波紋板進出口液滴濃度，避免了蒸發作用造成的誤差，因此能夠較為準確地反映波紋板的分離性能。但在線檢測法測量分離效率需要專門的儀器，實驗成本較高。

在此，筆者針對雙鉤型波紋板氣液分離器在稱重法的基礎上提出了一種考慮蒸發作用的分離效率測量方法，并與稱重法和在線檢測法進行對比，為波紋板分離效率的測量提供參考。

1 實驗裝置與實驗條件

1.1 實驗裝置

實驗裝置結構如圖1所示。空壓機產生的壓縮空氣與微型水泵打入的液體經雙流體霧化噴嘴在噴淋柜中產生極細的霧化液滴，風機作為動力源將空氣與霧化液滴鼓入混合室并充分混合，形成能夠滿足實驗要求的氣液混合物，氣液混合物從混合室進入分離室中由波紋板分離器實現氣液兩相分離。在噴淋柜和分離室下方均設有集液槽，用于計量未進入分離室的液滴質量和被分離下來的液滴質量。

圖1 實驗裝置結構示意圖

波紋板幾何結構如圖2所示，該雙鉤型波紋板由入口管道、疏水鉤、分離流道和出口管道組成。疏水鉤制造難度大，制作精度要求高，因此采用3D打印而成，材料為環氧樹脂ZR820，具有較高的硬度和抗沖擊強度，耐水性良好，符合實驗要求。分離室由7塊波紋板組成，構成6個通道。

圖2 波紋板幾何結構

波紋板主要結構尺寸如下：

板間距h020 mm

入口段長度x0150 mm

屈折角α 45°

分離段板長l020 mm

疏水鉤高度H 5 mm

疏水鉤長度L 9 mm

采用XY25MB電子天平測量集液槽內的液體質量，最大量程30 kg，精度0.1 g；采用923型手持式熱線風速儀測量入口速度，量程20 m/s，精度±0.5%；采用Mk2000-1k壓差計測量進出口壓力，量程1 000 Pa，精度等級2%FS；采用Promo 3000氣溶膠粒徑譜儀測量波紋板氣液分離器進出口液滴的粒徑分布，測量范圍0.2～120.0μm，采樣時間30～120 s；采用RPP-200C氯離子測定儀測量氯離子濃度，量程10 000 mg/L，精度0.1 mg/L。

1.2 實驗條件

入口速度對波紋板分離器的分離性能有至關重要的影響，為此，筆者選取8種入口速度（2、3、4、5、6、7、8、9 m/s）進行研究。實驗中氣相為常溫常壓下的空氣，液相介質選擇水。

2 測量方法

2.1 稱重法

稱重法采用電子天平稱量加入水的質量M1和收集到的被分離下來的液體質量M，通過計算可以得到稱重法分離效率η1為：

2.2 筆者所提方法

在氣液兩相混合物進入波紋板分離器之前，液體存在蒸發情況，為避免蒸發導致的實驗誤差，本實驗在液相介質中加入少量鹽分（NaCl），并假設蒸發過程全部發生在進入波紋板之前且液相介質的密度不變。圖3為簡化的實驗過程，其中C1、C2分別為加入水和進入分離室之后的NaCl濃度，M、M1與稱重法中意義相同，ΔM是進入分離室之前蒸發掉的液體質量，由此可以得到未被收集而逃逸進大氣的液體質量為M1-M-ΔM。

圖3 簡化的實驗過程示意圖

根據質量守恒定律，鹽分的總質量不變，則有：

其中，ρ為液相介質的密度。此時分離效率η2計算式為：

聯立式（2）、（3）可以得到：

C1、C2可以通過氯離子測定儀獲得，并且C2/C1值越大，液相介質越“濃縮”，代表蒸發作用越明顯。

2.3 在線檢測法

分別將Promo 3000氣溶膠粒徑譜儀兩個探頭置于分離室入口和出口處，得到入口、出口處液滴體積濃度分別為C3、C4，則在線檢測法分離效率η3計算式為：

3 測量結果分析

圖4為波紋板氣液分離器在不同入口速度下的分離效率曲線。由圖4可以看出，當入口速度低于4 m/s時，3種測量方法得到的效率值較為接近，當速度繼續增大時，稱重法與筆者所提方法和在線檢測法之間的差距變得明顯，分離效率最高相差約8%；波紋板分離效率從整體上均隨著入口速度的增大呈先上升后下降或平穩的趨勢，峰值出現在8 m/s附近。這是因為當入口速度低于8 m/s時，隨著速度的上升，氣液兩相流中的液滴更容易脫離氣流而撞擊在波紋板壁面上，此時速度的增大有利于分離效率的提升；當入口速度繼續增大到一定程度時，二次夾帶現象加劇，波紋板分離效率反而下降。二次夾帶現象出現的原因為：高速氣流剪切波紋板壁面上的液膜形成大量的小液滴，新的小液滴會被氣流攜帶出波紋板，從而使得分離效率降低［11］；液滴撞擊壁面上的液膜從而產生飛濺，入口速度越高，撞擊產生的小液滴越多［12］，因此波紋板入口速度過高反而不利于兩相分離。

圖4 波紋板氣液分離器在不同入口速度下的分離效率曲線

稱重法測得的分離效率明顯低于筆者所提方法和在線檢測法，并且筆者所提方法和在線檢測法測得的分離效率十分相近，說明蒸發作用對波紋板分離效率的計算有顯著影響。稱重法分離效率是收集到的被分離下來的液體質量與加入水的質量的比值，而實際進入波紋板的水量是小于加水量的，原因在于液相進入波紋板之前會蒸發一部分，因此稱重法得到的分離效率低于筆者所提方法。在線檢測法測得的分離效率是直接對比波紋板分離器進出口液滴濃度，避免了進入分離室之前的液相蒸發的影響，因此在線檢測法測得的分離效率明顯高于稱重法，并且與筆者所提方法十分接近。

圖5為水的C2/C1值隨入口速度的變化趨勢。由圖5可知，入口速度越大，C2/C1值越大，說明蒸發現象隨著入口速度的增大而變得更加明顯，這是因為液體的蒸發程度與液體表面上氣流流速成正比。隨著蒸發現象的加重，加水量與進入波紋板分離器的水量相差更多，因此入口速度越高，筆者所提方法與稱重法測得的分離效率相差越大。

圖5 水的C2/C1值隨入口速度的變化趨勢

4 結論

4.1 3種分離效率測量方法下，波紋板分離效率均隨入口速度的增大先上升后下降。

4.2 液相蒸發對波紋板分離器的分離效率有重要影響，稱重法測得的分離效率低于筆者所提方法和在線檢測法，而在線檢測法測得的分離效率則與筆者所提方法十分接近。

4.3 入口速度越大，蒸發作用越明顯，稱重法測得的分離效率與筆者所提方法和在線檢測法相差越大。